平板熱管散熱器傳熱特性研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高天琦 梁文清* 任海剛

1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

2 中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異的高速發(fā)展，電子器件高頻、高速及集成電路的密集和小型化，單位容積電子器件的發(fā)熱量迅速增大。而隨著溫度的增加，電子元器件的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)。當(dāng)超出元件的工作溫度范圍時(shí)，其性能將顯著下降，不能穩(wěn)定工作，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因此，電子技術(shù)的發(fā)展需要良好的散熱手段來(lái)保證。平板熱管具有質(zhì)量輕，良好的啟動(dòng)性，均溫性和超強(qiáng)的導(dǎo)熱性的優(yōu)勢(shì),成為目前電子元件散熱方面的熱點(diǎn)研究方向。

國(guó)內(nèi)外一些專家學(xué)者已經(jīng)對(duì)平板熱管傳熱特性做出了相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究。如宣益民等[1]對(duì)帶燒結(jié)毛細(xì)芯的平板熱管并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。得到了不同輸入功率、燒結(jié)毛細(xì)多孔層厚度、工質(zhì)充裝量下熱管的瞬態(tài)傳熱性能及穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的表面等溫特性。Koito 等[2]對(duì)具有絲網(wǎng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的平板熱管進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過(guò)對(duì)連續(xù)性，能量和動(dòng)量方程進(jìn)行求解，給出了平板熱管內(nèi)部的速度，壓力和溫度場(chǎng)分布。Yasushi Koito 等[3]對(duì)于具有真空腔均熱板內(nèi)的熱流體現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值分析，計(jì)算了工質(zhì)循環(huán)所需要的毛細(xì)管壓頭和蒸汽腔內(nèi)的溫降。而目前對(duì)于采用平板熱管散熱器冷卻電子元件時(shí)的傳熱特性分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究較少，因此本文主要通過(guò)建立平板熱管散熱器熱阻模型，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)以及相關(guān)外部條件如熱源尺寸及空氣流速對(duì)于整體傳熱性能的影響，并進(jìn)行優(yōu)化分析，對(duì)于實(shí)際工程有一定指導(dǎo)意義。

1 傳熱模型

1.1 物理模型

本研究中的散熱器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，下部平板熱管分為外部熱管壁和其內(nèi)部的吸液芯及蒸汽腔結(jié)構(gòu)，圖中箭頭指示了熱管內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)方向。平板熱管上部插有矩形翅片。由于鋁熱導(dǎo)率較高，單價(jià)低，質(zhì)量輕，因此一般作于平板熱管的管壁以及金屬翅片的材料。熱源緊貼于平板熱管底面，通過(guò)熱管熱傳導(dǎo)與相變介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，可將發(fā)熱物體的熱量迅速擴(kuò)散開來(lái)，并通過(guò)翅片擴(kuò)大散熱面積，與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，起到為發(fā)熱源降溫并增強(qiáng)底面均溫性的效果。

圖1 平板熱管散熱器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 模型假設(shè)

為便于對(duì)平板熱管散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及傳熱數(shù)值模擬，做出如下假設(shè)：1）系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)行。2）發(fā)熱源與散熱器以及平板熱管和鋁制翅片之間良好接觸，無(wú)接觸熱阻。3）利用均勻風(fēng)源代替風(fēng)機(jī)模型，空氣僅從翅片間吹過(guò)，并且假定空氣流速一定。4）忽略散熱器與外界環(huán)境之間的輻射作用。5）除與熱源接觸部分，散熱器底面以及頂面絕熱。6）平板熱管冷凝段多孔芯空隙為液膜全部占據(jù)，而熱管蒸發(fā)段多孔芯體中充滿液體，汽化與液化均僅在芯層表面上進(jìn)行[4]。7）吸液芯內(nèi)部材料均勻分布并且各向同性（孔隙率與滲透率為常數(shù)）。

1.3 模型描述

圖2 為系統(tǒng)熱阻網(wǎng)絡(luò)圖，其中，Tre與TO分別表示熱源最高溫度與環(huán)境溫度，各熱阻所代表的含義如下：R0為熱源與散熱器之間接觸熱阻，根據(jù)模型假設(shè)可忽略，Rave為平板熱管厚度方向上的平均熱阻，Rsp為平板熱管的擴(kuò)散熱阻，Rh為翅片與空氣對(duì)流傳熱熱阻，因此有：

式中：Rtotal是散熱器總熱阻。

圖2 系統(tǒng)熱阻網(wǎng)絡(luò)圖

結(jié)合熱管工作原理，探討熱管內(nèi)部平均熱阻Rave的構(gòu)成如圖3 所示，熱管兩端分別為蒸發(fā)端及冷凝端，蒸發(fā)段受熱輸入熱量，冷凝端放熱。首先通過(guò)管壁導(dǎo)熱，產(chǎn)生蒸發(fā)段管壁導(dǎo)熱熱阻Res。蒸發(fā)段吸液芯內(nèi)的工作液體受熱蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸發(fā)段吸液芯熱阻Rew，并在芯層表面氣化產(chǎn)生蒸發(fā)段氣液相變熱阻Rei。蒸汽在蒸汽腔內(nèi)部流動(dòng)，產(chǎn)生微小溫降，伴隨蒸汽流動(dòng)熱阻Rv。蒸汽在冷凝端凝結(jié)，放出潛熱，并通過(guò)吸液芯結(jié)構(gòu)返回蒸發(fā)端，相應(yīng)產(chǎn)生冷凝段氣液相變熱阻Rci，冷凝段吸液芯熱阻Rcw，冷凝段管壁導(dǎo)熱熱阻Rcs。并且在熱管側(cè)壁還存在管壁導(dǎo)熱熱阻Rs與吸液芯熱阻Rw。這里假定熱管各處壁厚ep與吸液芯厚度ew均勻，并且有：

式中：eV與e 分別為蒸汽腔厚度與平板熱管總厚度。

圖3 平板熱管內(nèi)部平均熱阻構(gòu)成示意圖

熱管內(nèi)部平均熱阻Rave計(jì)算如下：

式中：λ 與L 分別為鋁熱導(dǎo)率和平板熱管底邊長(zhǎng)，這里假設(shè)底面為正方形。

熱管吸液芯內(nèi)部原本為液體對(duì)流換熱和多孔芯固體骨架導(dǎo)熱的復(fù)合，為便于進(jìn)行熱阻分析，可將此問(wèn)題折合成導(dǎo)熱問(wèn)題來(lái)解，其中的導(dǎo)熱系數(shù)用當(dāng)量導(dǎo)熱率來(lái)替代[5]。量熱導(dǎo)率與吸液芯熱阻計(jì)算公式如下：

式中：ε 為吸液芯的孔隙度kl與ks分別為液體和多孔芯骨架熱導(dǎo)率。

蒸發(fā)段氣液相變熱阻Rei和冷凝段氣液相變熱阻Rci的計(jì)算如下式：

式中：R 代表氣體常數(shù)T 為蒸汽溫度，L 為汽化潛熱，PV為蒸汽壓力。

蒸汽流動(dòng)熱阻RV計(jì)算如下式：

式中：λV為腔內(nèi)蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)；TV腔內(nèi)蒸汽溫度；eV單位是mm[6]。

平板熱管的擴(kuò)散熱阻Rsp計(jì)算[7]如下：

式中：Lq為熱源尺寸，這里同樣假設(shè)熱源表面為正方形；h 為對(duì)流換熱系數(shù)；λsp為平板熱管平均熱導(dǎo)率，可通過(guò)熱管平均熱阻進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于翅片對(duì)流換熱熱阻的計(jì)算如下：

式中：h 為空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)；A0為外表面面積；η0為肋壁效率。

為增強(qiáng)翅片對(duì)流換熱強(qiáng)度，擬將翅片沿平行于平板熱管長(zhǎng)邊方向布置。相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算如下：

式中：H 與Hc分別為翅片的高度與修正高度，δ 為翅片厚度，n 為翅片的個(gè)數(shù)，A1與A2分別為未裝肋部分的面積和肋片面積。

對(duì)于肋壁效率的計(jì)算如下：

式中：ηf為肋片效率[8]。

2 傳熱特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 平板熱管傳熱特性研究

這里假定所處環(huán)境溫度為20 ℃，空氣流速恒定為10 m/s，平板熱管底面L=0.1 m。根據(jù)熱管運(yùn)行溫度區(qū)間以及熱管管壁，吸液芯和工質(zhì)之間的相容性原則，這里的熱管吸液芯采用銅粉燒結(jié)粉末材質(zhì)，工質(zhì)采用丙酮[9]。通過(guò)熱管管壁強(qiáng)度校核，求出滿足要求的最小熱管壁厚ep如下：

式中：K 為結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，取0.31；P 為管內(nèi)壓力；σ 為許用應(yīng)力。

經(jīng)計(jì)算，本工程ep≥1.52 mm，因此可取壁厚為2 mm。并取ew=1 mm，探究熱源尺寸以及蒸汽腔厚度對(duì)于傳熱性能的影響。

由圖4 可看出，隨著熱源尺寸的不斷擴(kuò)大，平板熱管內(nèi)部平均熱阻保持不變，擴(kuò)散熱阻不斷減小，而熱管總熱阻也隨之不斷減小。這是由于熱源尺寸的改變不影響熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此平均熱阻Rave不會(huì)發(fā)生變化。而擴(kuò)散熱阻產(chǎn)生于熱傳導(dǎo)過(guò)程中熱導(dǎo)體傳熱面積的變化處，與熱源同散熱器得接觸面積有關(guān)，當(dāng)熱源尺寸遠(yuǎn)小于散熱器底面積時(shí)，會(huì)加劇徑向溫度不均勻性，而當(dāng)熱源尺寸較大甚至接近散熱器底面積時(shí)，擴(kuò)散熱阻Rsp會(huì)逐漸減小直到徑向溫差消失，僅在軸向存在溫差。而由圖5 可看出，隨著蒸汽腔厚度不斷增加，平均熱阻略有上升，擴(kuò)散熱阻不斷下降。由于擴(kuò)散熱阻下降幅度更大導(dǎo)致總熱阻不斷下降，但是下降趨勢(shì)不斷變緩。這是由于蒸汽腔厚度的增加，蒸汽流動(dòng)熱阻Rv會(huì)增加，并且管壁導(dǎo)熱熱阻Rs與吸液芯熱阻Rw均隨之增加，但由于Rv在10-7量級(jí)，而Rs和Rw在與其他熱阻并聯(lián)的基礎(chǔ)上，值遠(yuǎn)大于其他熱阻，故致使平均熱阻Rave上升幅度較小。蒸汽腔厚度增加，平板熱管厚度增加，擴(kuò)散熱阻Rsp隨之下降明顯，這就是采用蒸汽腔平板熱管的優(yōu)勢(shì)所在。

圖4 平板熱管熱阻隨熱源尺寸變化規(guī)律

圖5 平板熱管熱阻隨蒸汽腔厚度變化規(guī)律

由兩圖中均可看出，在熱源尺寸或蒸汽腔厚度較小時(shí)，擴(kuò)散熱阻Rsp在10-2量級(jí)，遠(yuǎn)大于平均熱阻Rave的10-3量級(jí)，并且總熱阻較大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮其對(duì)于熱阻的影響，選用合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.2 翅片傳熱特性研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

假定散熱器底面長(zhǎng)a=250 mm，寬b=186 mm。同時(shí)考慮到散熱器的制造和強(qiáng)度因素，一般翅片尺寸的范圍是：厚度1～3 mm，間距1～10 mm，高度25～60 mm。而在外部環(huán)境條件（空氣溫度與風(fēng)速）與散熱器底面積不變的情況下，對(duì)流換熱系數(shù)h 不變。能夠表征翅片對(duì)流換熱熱阻高低的參數(shù)為有效換熱面積A0η0，并關(guān)注耗材量即翅片總體積V，計(jì)算如下：

因此，這里根據(jù)不同的翅片高度H，厚度δ 與間距β，計(jì)算相應(yīng)的有效換熱系數(shù)A0η0與翅片總體積V 如下，因自變量有三個(gè)，為方便進(jìn)行分析，可固定其中一變量的值，這里分別固定H=0.06 m 以及β=3 mm，研究有效換熱面積A0η0與翅片總體積V 隨其他兩變量之間的變化情況。

圖6 H=0.06 m 時(shí)，A0η0的變化曲線

圖7 β=3 mm 時(shí)，A0η0的變化曲線

圖8 H=0.06 m 時(shí)，V 的變化曲線

圖9 β=3 mm 時(shí)，V 的變化曲線

如圖6 所示，從任意一條曲線的變化趨勢(shì)可看出，在翅片高度H 以及翅片間距β 不變時(shí)，有效換熱面積A0η0隨翅片厚度δ 的增加而減小，這是由于增加翅片厚度會(huì)使得翅片個(gè)數(shù)減小，外表面面積相應(yīng)減小，雖然肋壁效率能夠有所提升，但是其增加程度不如翅片外表面面積減小的程度，故有效換熱面積隨之下降。從不同曲線之間的變化趨勢(shì)可看出，有效換熱系數(shù)A0η0同樣隨翅片間距β 的增加而減小，這是因?yàn)榧映崞g距，外表面面積減小，而翅片厚度不變，肋壁效率變化不大，使有效換熱面積隨之下降。從圖7 的不同曲線之間的變化趨勢(shì)可看出，在翅片厚度δ 以及間距β 不變時(shí)，有效換熱面積A0η0隨翅片高度H 的下降而下降，這是因?yàn)槔弑谛试黾拥某潭炔蝗缤獗砻婷娣e減小的程度。圖8 與9 反映了翅片體積V 與翅片高度H，厚度δ 成正相關(guān)，與翅片間距β 成負(fù)相關(guān)。

綜合上述四圖所表現(xiàn)的變化規(guī)律，當(dāng)耗用相同翅片體積時(shí)，存在傳熱量最大的一種翅片結(jié)構(gòu)，即為翅片的最佳尺寸[10]，需通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得出此最優(yōu)翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)。翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算過(guò)程如圖10 所示。

圖10 翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算程序框圖

例如當(dāng)環(huán)境溫度t0=20 ℃，風(fēng)速v=10 m/s，散熱器底面尺寸a=250 mm，b=186 mm。根據(jù)不同的翅片體積，計(jì)算最優(yōu)結(jié)構(gòu)如表1：

表1 翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

從表中可看出，當(dāng)翅片體積較小時(shí)，最佳結(jié)構(gòu)的翅片高度較小，而翅片體積較大時(shí)，最佳結(jié)構(gòu)的翅片高度較大，而受制于翅片高度的最大值，對(duì)流換熱熱阻隨著翅片體積的增大而先變小后變大，若無(wú)翅片耗材要求時(shí)，在確定散熱器地面尺寸的情況下，存在一最佳翅片體積使得對(duì)流換熱熱阻最小。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，使得散熱器散熱效果達(dá)到最佳。

3 傳熱數(shù)值模擬分析

根據(jù)上述優(yōu)化計(jì)算，選定在散熱器底面長(zhǎng)a=250 mm，寬b=186 mm的情況下散熱器的最佳結(jié)構(gòu)尺寸如下：翅片高度H=60 mm，翅片厚度δ=1 mm，間距β=2 mm，平板熱管厚度L=20 mm。環(huán)境溫度為20 ℃，空氣流速恒定為10 m/s，熱源底面積為126 mm×164 mm 發(fā)熱功率700 W。通過(guò)傳熱數(shù)值模擬對(duì)比傳統(tǒng)鋁制翅片散熱器，反映其傳熱性能的提升程度。并比對(duì)平板熱管散熱器熱阻模型計(jì)算結(jié)果，探究在不同風(fēng)速下總熱阻Rtotal變化情況。

根據(jù)模型假設(shè)條件，將平板熱管內(nèi)部劃分為三個(gè)區(qū)域：熱管壁，吸液芯和蒸汽腔，分別計(jì)算當(dāng)量熱導(dǎo)率或熱阻。比較平板熱管散熱器與鋁制翅片散熱器在均溫性和總傳熱溫差的差異。

圖11 平板熱管散熱器表面溫度分布

圖12 鋁制基板散熱器表面溫度分布

如圖11 與圖12 所示，平板熱管散熱器總傳熱溫差為15.9 ℃，而鋁制基板散熱器總傳熱溫差為19 ℃，在熱流密度保持一致的前提下，平板熱管散熱器的傳熱效果優(yōu)于鋁制基板散熱器。平板熱管均溫性較強(qiáng)，在水平方向邊緣處仍有一定溫降，這是由于管殼導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于熱管內(nèi)部蒸汽腔當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)所致。

如圖13 所示，反映了隨風(fēng)速的增加，散熱器總阻值不斷下降，傳熱性能提升，下降趨勢(shì)不斷變緩，這是由于在熱源及散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，平板熱管平均熱阻Rave，及擴(kuò)散熱阻Rsp兩部分均不發(fā)生變化，而翅片對(duì)流傳熱熱阻Rh會(huì)隨之下降，因此總熱阻Rtotal下降趨勢(shì)減小。并且此圖還反映了采用兩種方式進(jìn)行熱阻計(jì)算的偏差較小，誤差比例在5%之內(nèi)，因此采用熱阻計(jì)算簡(jiǎn)單快捷，結(jié)果也較為準(zhǔn)確，對(duì)于工程計(jì)算有一定指導(dǎo)意義。

圖13 熱阻隨風(fēng)速變化曲線

4 結(jié)論

本文建立熱阻網(wǎng)絡(luò)，分析平板熱管散熱器傳熱特性影響因素諸如翅片間距，厚度與高度，平板熱管蒸汽腔厚度，熱源尺寸以及風(fēng)速并提出了相關(guān)優(yōu)化建議。主要得到以下結(jié)論：

1）熱源尺寸與蒸汽腔厚度主要影響熱管熱阻：隨著熱源尺寸的不斷擴(kuò)大，平板熱管內(nèi)部平均熱阻保持不變，擴(kuò)散熱阻不斷減小，而熱管總熱阻也隨之不斷減小。隨著蒸汽腔厚度不斷增加，平均熱阻略有上升，擴(kuò)散熱阻不斷下降，但是下降趨勢(shì)不斷變緩。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮其對(duì)于熱阻的影響，選用合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2）翅片間距，厚度與高度主要影響翅片對(duì)流換熱熱阻，其中對(duì)流換熱熱阻與翅片厚度及間距正相關(guān)，與翅片高度負(fù)相關(guān)。當(dāng)耗用相同翅片體積時(shí)，存在傳熱量最大的一種翅片結(jié)構(gòu)，即為翅片的最佳尺寸，并進(jìn)行了優(yōu)化程序設(shè)計(jì)及計(jì)算。

3）隨風(fēng)速的增加，散熱器總阻值不斷下降，傳熱性能提升，并且通過(guò)與CFD 傳熱數(shù)值計(jì)算比對(duì)，驗(yàn)證了本文的熱阻計(jì)算法具有一定的準(zhǔn)確性，可被工程廣泛應(yīng)用。